水力发电原理及水电站设备简介 - 图文(4)

转轮型式 混流式 一般适应水头（m） 25～450 特点 结构简单，运行可靠、效率高、应用水头范围广，一般适用于中高水头水电站。 结构简单，但高效率区范围较窄，适用于负荷及水头边幅较小的水电站。 结构较为复杂，由于导叶和桨页能双重调节，因此具有较大范围的高效率区，适用于低水头、大流量和负荷变化较大的水电站。 也可实现导叶和转轮叶片双重调节，具有较宽的高效率区，但结构复杂，造价较高，一般用于大、中型水电站。 一般具有较高的效率，适用于低水头、大流量的河床式水电站。 适用于高水头、小流量的水电站。 一般适用于中小型水电站。 结构简单，制造方便，但效率低，一般适用于小型水电站。 适用于抽水蓄能电站，兼有水轮机和水泵的特点，可实现双向旋转使得水流方向相反，从而实现水轮机和水泵的功能。 轴流定桨式 3～50 轴流转桨式 2～88 斜流式 40～200 贯流式 水斗式 斜击式 双击式 可逆混流式水泵水轮机

2～30 40～2000 25～300 5～150 50～700 （三） 水轮机的工作参数、型号和公称直径

水轮机的工作参数主要有水头、流量、转速、功率与效率。每一种参数根据具体的应用概念的不同还可以细分为具体的参数。如水头有工作水头、设计水头、额定水头等；流量有额定流量、空载流量等，在此就不再对各种具体参数作解释，有兴趣的读者可以参阅专业的书籍。

为了统一水轮机的品种规格，以便提高质量、降低造价和便于选择使用，我国对水轮机产品型号作为规范化规定。水轮机产品型号由三部分组成，各部分用一短线分开。水轮机型号排列顺序如下：

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第一部分代表水轮机的型式和转轮型号，水轮机型式用汉语拼音字母表示，转轮型号用该水轮机的比转速表示，用阿拉伯数字表示。水泵水轮机在型式代号后面加汉语拼音字母“B”。其代号规定如表1-1所示。

第二部分代表主轴布置形式和结构特征，有两个汉语拼音字母组成，前者表示水轮机主轴的布置型式，后者表示引水室的结构特征，其代号规定如表1-2所示。

第三部分代表水轮机转轮公称直径D1以及其他有关参数，用阿拉伯数字表示，单位为cm。

水轮机型号示例如下：

1) HL180—LJ—550：表示混流式水轮机，转轮型号为180，立轴，金属蜗壳，转轮公称直径为550cm。

2) ZD760—LH—120（φ=+10°）：表示轴流定桨式水轮机，转轮型号为760，立轴，混凝土蜗壳，转轮公称直径120cm，转轮叶片装置（安装）角为+10°。

3) XLB200—LJ—300：表示斜流式水泵水轮机，转轮型号为200，立轴，金属蜗壳，转轮公称直径为300cm。 2. 立式混流式水轮机构成部件的介绍

在此仅对立式混流式水轮机的各主要构成部件进行简介，若需了解其他型式的水轮机，请参阅水电专业书籍。 （一） 转轮

转轮是水轮机将水流能量转变为旋转机械能的核心部件，要求转轮具有良好的水力性能，足够的强度和刚度。混流式水轮机转轮一般有上冠3、叶片4、下环7、止漏装置2和6、泄水锥5和减压装置1组成。如图1-1所示。

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（二） 导水机构

导水机构的主要组成部分包括顶盖、底环、控制环、导叶、导叶套筒、导叶传动机构（包括导叶臂、连杆、连接板）和接力器等部件。

导水机构接力器的工作原理，如图2-2所示。图中示出两个直缸式接力器的

工作情况，图示所在位置是导叶正处于中间开度，当接力器腔体内接受调速器系统送来的压力油后，便可控接力器的推拉杆，改变导叶的开度，达到调节水轮机流量的目的。

1) 导叶。导叶是导水机构的主要组成部件，均匀分布于转轮的外围、底环和顶盖之间。导叶的断面形状为翼型，首端较厚，尾端较薄，这样既可以保证强度又可以减少水力损失。导叶一般由导叶

体和导叶轴组成。另外还有导叶轴套和相应密封、以及传动机构作为导叶的附件支撑导叶的正常工作。

2) 底环。是一个扁平的环形部件，位于导叶的下方，安装在座环或基础环上，它与顶盖形成流道，并用来安装导叶的下轴套。

3) 控制环。是传递接力器作用力，并通过传动机构转动导叶的环形部件。 4) 顶盖。顶盖是水轮机的主要部件，在顶盖的导叶轴孔中装有导叶套筒，顶盖上平面的支持环支撑着控制环，是水轮机的主要受力部件，要求有足够的强度和刚度。

（三） 引水部件及泄水部件

混流式水轮机的引水部件主要由金属蜗壳、座环和基础环组成。

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1) 金属蜗壳。引水室是将水引入导水机构的通流部件。蜗壳是蜗状的有压引水室。混流式水轮机应用于中高水头电站（一般H≥40m），其引水室多采用金属蜗壳，断面形状由圆形过渡到椭圆形。蜗壳引导水流一方面作圆周运动，另一方面作径向运动，使得水流均匀轴对称地进入导水机构，故水力损失小，结构紧凑。

2) 座环。座环位于引水部件（蜗壳）与导水机构之间，由上环、下环和中间若干流线形立柱（也称固定导叶）组成。其作用是承受水轮发电机的部分重量、水轮机的轴线水推力、顶盖的重量级部分混凝土重量，并将其荷载通过立柱传给下部基础。同时，座环也是水轮机的过流部件和水轮机的安装基准件。

3) 基础环。基础环是连接底环和尾水管锥管，并在安装、大修中用于承放转轮的基础部件，也是安装时水轮机转动部分的承重件，埋设于混凝土中，转轮的下环在其内转动。

4) 尾水管。尾水管是水轮机的泄水部件，其作用是将转轮出口的水流平顺地引向下游，回收转轮出口处水流的动能并利用转轮高出下游水位的位能。常见的尾水管型式为弯肘形，其由直锥管、弯肘段和水平扩散段三部分组成。 （四） 水轮机其他部件

1) 主轴。主轴是水轮机的主要部件之一，它的一端于发电机连接，另一端接水轮机转轮。它的作用是将水轮机的旋转机械能传递给发电机，从而带动发电机转子旋转。此外，主轴还承受转轮轴向水推力和转动部件的重量。

2) 主轴密封。主轴密封是用以减少主轴与固定部件之间漏水的装置，是水轮机正常工作的重要保护装置。

3) 水轮机导轴承。导轴承是保持主轴中心位置，并承受径向力的轴承。水

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轮机导轴承的主要作用是承受机组运行中主轴传来的径向力和振摆力，约束主轴轴线位置。导轴承在结构布置上应尽量靠近转轮，以缩短转轮至轴承距离，保证主轴和转轮运行稳定性和可靠性。按润滑介质不同，水轮机导轴承可分为水润滑和油润滑两种。

另外水轮机还具有补气装置和真空破坏阀等部件，在此不再一一阐述其作用。

二. 发电机及其励磁系统

1. 发电机的基本知识

水电站中的发电机都为同步电机（以下发电机均指同步发电机），它把原动机的旋转机械能转变为电能，通过输电线路等设备送往用户。

众所周知，导线切割磁力线能产生感应电动势，将导线连成闭合回路，就有电流流过，同步发电机就是利用电磁感应原理将机械能转变为电能的。

如图2-1所示为同步发电机示意图。导线放在空心圆筒形铁芯槽里，铁芯是固定不动的，称为定子。磁力线由磁极产生，磁极是转动的，称为转子。定子和转子是构成发电机的最基本部分。为了得到三相交流电，沿定子铁芯内圆，每相隔120°分别安放着三相绕组A—X、B—Y、C—Z，转子上有励磁绕组（也称转子绕组）R—L。

通过电刷和滑环的滑动接触，将励磁系统产生的直流电引入转子励磁绕组，产生恒稳的磁场。当转子被原动机带动旋转后，定子绕组（也称电枢绕组）不断切割磁力线，就在其中感应出电动势来。

感应电动势的方向由右手定则确定。由于导线有时切割N极，有时切割S极，因而感应出的是交流电动势。

交流电动势的频率f，决定于电机的极对数p和转子转速n，即：

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